光纤技术及应用---第一章课件.ppt
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1、2023/1/71光纤技术及应用光纤技术及应用Optical Fiber Technology and Its Application2023/1/72迎接光子时代的到来迎接光子时代的到来l电电子子时时代代(半半导导体体时时代代):围围绕绕如如何何利利用用和和控控制制电电子子的的运运动来设计器件的时代;动来设计器件的时代;l电电子子技技术术已已经经发发展展相相对对成成熟熟,各各种种技技术术瓶瓶颈颈已已经经出出现现:晶晶体体管管极极限限(由由电电子子的的特特性性和和器器件件制制作作中中的的光光刻刻等等工工艺艺所所受受到的物理上的限制所决定)到的物理上的限制所决定)l光光子子作作为为信信息息的的载
2、载体体已已经经取取得得了了很很大大的的成成功功:90%的的现现代代信信息需要以光子的形式在光纤上传输息需要以光子的形式在光纤上传输l一根细若游丝的光纤里,可以容纳一根细若游丝的光纤里,可以容纳上亿门电话上亿门电话l美公司联手开发超级计算机光纤互连技术美公司联手开发超级计算机光纤互连技术2023/1/73l光子与电子的比较:光子与电子的比较:速度快,独立传播速度快,独立传播 (光子是光线中携带(光子是光线中携带能量能量的粒子)的粒子)光子与电子的本质区别:光子与电子的本质区别:(1)光子光子服从的是服从的是麦克斯韦方程麦克斯韦方程,电子电子服从的是服从的是薛定谔方程薛定谔方程;(2)光子光子波是
3、波是矢量波矢量波,电子波是,电子波是标量波标量波;(3)电子电子是自旋为是自旋为1/2的费米子的费米子,满足泡利不相容原理,满足泡利不相容原理,光光子子是是自自旋旋为为1的的玻玻色色子子,其其不不受受泡泡利利不不相相容容原原理理的的限限制制,可在空间并行;可在空间并行;(4)电子之间有电子之间有很很强的相互作用力强的相互作用力,而,而光子没有光子没有。2023/1/74“波导波导”:交通:交通:公路,公路,铁路,铁路,高速公路高速公路 电:电:电线,电线,平面电路平面电路 光:光:光纤,光纤,平面光波导平面光波导公公路路、铁铁路路、高高速速公公路路给给交交通通带带来来了了极极大大的的推推动动;
4、电电通通过过电电线线的的传传输输提提供供了了强强大大的的动动力力;电电信信号号凭凭借借平平面面集集成成电电路路产产生生了了繁繁荣荣的的电电子子工工业业;光光纤纤和和平平面面光光波波导导的的发发展展将将带带来来信信息息交交流的巨大流的巨大改变改变。波导(波导(WAVEGUIDE),),用来用来定向引导电磁波定向引导电磁波的结构的结构2023/1/75波导(波导(WAVEGUIDE),),用来用来定向引导电磁波定向引导电磁波的结构。的结构。常见的波导结构主要有平行双导线、同轴线、平行平板波导、常见的波导结构主要有平行双导线、同轴线、平行平板波导、矩形波导、圆波导、微带线、矩形波导、圆波导、微带线、
5、平板介质光波导平板介质光波导和和光纤光纤。从引导。从引导电磁波的角度看,它们都可分为内部区域和外部区域,电磁波的角度看,它们都可分为内部区域和外部区域,电磁波电磁波被限制在内部区域被限制在内部区域传播。传播。波导,本意指一种在微波或可见光波导,本意指一种在微波或可见光波段波段中传输电磁波的装中传输电磁波的装置,用于无线电通讯、雷达、导航等无线电领域。置,用于无线电通讯、雷达、导航等无线电领域。2023/1/76教材内容:教材内容:1、光波传输的理论知识、光波传输的理论知识2、平板光波导传输理论、平板光波导传输理论3、光纤传输原理、光纤传输原理 (光纤的(光纤的模式模式特性、光纤的特性、光纤的损
6、耗损耗、光纤的、光纤的色散色散)4、光纤(无源、有源)器件、光纤(无源、有源)器件5、光纤和光缆的、光纤和光缆的制造技术制造技术6、光纤、光纤通信通信技术和光纤技术和光纤传感传感技术技术2023/1/77课程51学时考试:闭卷(100分)试题类型:选择、填空、问答题,小型计算题最终成绩=平时成绩30%+期末成绩70%2023/1/78 第一章第一章 光传输的理论基础光传输的理论基础1 1.11.1麦麦克克斯斯韦韦方方程程和波动方程和波动方程2 1.2 1.2 平平面面光光波波及及其其在在介介质质界界面面上上的的反反射射和和折折射射3 1.3 1.3 程函方程和程函方程和光线方程光线方程2023
7、/1/79 光是一种光是一种电磁波电磁波,与一般意义的微波的,与一般意义的微波的电磁特性相同,只是频率或波长不电磁特性相同,只是频率或波长不同而已。将电磁波按其频率或波长的次序排列成谱,则称为电磁波谱。通常同而已。将电磁波按其频率或波长的次序排列成谱,则称为电磁波谱。通常所说的光学区域或光学频谱包括:红外线、可见光和紫外线。由于光的频率所说的光学区域或光学频谱包括:红外线、可见光和紫外线。由于光的频率极高极高10121016Hz(10141015Hz),一般采用波长表征,光谱区域的波长范),一般采用波长表征,光谱区域的波长范围约从围约从1 mm到到10 nm。光的电磁波谱可分为。光的电磁波谱可
8、分为 光的波长光的波长 远红外远红外(1 mm 20 m)红外线红外线(1 mm 0.76 m)中红外中红外(20 m 1.5 m)近红外近红外(1.5 m 0.76 m)红红 色色(760 nm 630 nm)橙橙 色色(630 nm 600 nm)黄黄 色色(600 nm 570 nm)可见光可见光(760 380 nm)绿绿 色色(570 nm 490 nm)青青 色色(500 nm 450 nm)蓝蓝 色色(450 nm 430 nm)紫紫 色色(430 nm 380 nm)近紫外近紫外(380 nm 300 nm)紫外光紫外光(380 10 nm)中紫外中紫外(300 nm 200
9、nm)真空紫外真空紫外(200 nm 10 nm)2023/1/710光光学学研研究究的的是是光光的的传传播播以以及及光光和和物物质质相相互互作作用,用,使用方法有使用方法有几何光学几何光学 (成像光学仪器成像光学仪器)波波动动光光学学 (研研究究光光的的电电磁磁性性质质和和传传播播规律,用在一般的导波光学规律,用在一般的导波光学)量量子子光光学学 (以以光光的的量量子子理理论论为为基基础础,研研究究光光与与物物质质相相互互作作用用的的规规律律,如如用用在在量量子子光通信光通信)光的分析手段光的分析手段2023/1/7111 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 根根据据光光的的电电磁磁理理论论,光光
10、波波具具有有电电磁磁波波的的所所有有性性质质,这这些些性性质质都都电电磁磁波波的基本方程麦克斯韦方程组:的基本方程麦克斯韦方程组:D (1)表明电荷产生电场;表明电荷产生电场;B 0 (2)表明磁场是无源场,磁感线是闭合曲线;表明磁场是无源场,磁感线是闭合曲线;x E (B/t)(3)表明变化的磁场产生电场;表明变化的磁场产生电场;x H J+(D/t)(4)-表明传导电流和变化的电场都能产生磁场;表明传导电流和变化的电场都能产生磁场;其其中中 D、E、B、H 分分别别表表示示电电感感应应强强度度(电电位位移移矢矢量量)、电电场场强强度度、磁磁感感应应强强度度、磁磁场场强强度度;是是自自由由电
11、电荷荷密密度度、J是是传传导导电电流流密密度度。麦麦氏氏方方程程组组将将空间任一点的电、磁场联系在一起,可以确定空间任一点的电、磁场。空间任一点的电、磁场联系在一起,可以确定空间任一点的电、磁场。物质方程物质方程 D E B H J E2023/1/712积分形式的麦克斯韦方程组为:积分形式的麦克斯韦方程组为:-表明穿过任意闭合曲面的电位移通量等于该闭合曲面所包围的自由电荷的代数和;-表明穿过任意闭合曲面的磁通量恒等磁通量恒等于零;于零;-表明电场强度沿任意闭合曲线的环流,等于穿过以该闭合曲线为周界的任一曲面的磁通量变化率的负值;-表明磁场强度沿任意闭合曲线的环流,等于穿过以该闭合曲线为周界的
12、任意曲面的传导电流和位移电流之和;麦克斯韦方程组表明了电磁场和它们的源之间的全部关系。2023/1/7132 电磁场的边值关系电磁场的边值关系 当研究某一区域的电磁场时,常遇到该区域被不同介质分成几个区域的情况。由于介质性质的突变,这些界面上将出现面电介质性质的突变,这些界面上将出现面电荷、面电流分布,使得物理量荷、面电流分布,使得物理量E、D、B、H发生跃变,发生跃变,微分形式的麦氏方程组不再适用。因此,在介质分界面上,要用另一种形式描述界面两侧的场强以及界面上电荷、电流的关系。-称为边值关系(边界条件)边值关系(边界条件)2023/1/714(1)法向分量在界面上的边值关系)法向分量在界面
13、上的边值关系设界面的单位法向矢量为n,在两介质界面上取一面元并以它为截面作一无限薄扁平小柱体,使柱体上下两底面分别在两介质,且柱体高度是小量,故侧面的积分趋于零,由表明:电位移矢量在界面法向上是不连续的,其跃变与自由表明:电位移矢量在界面法向上是不连续的,其跃变与自由电荷密度有关。电荷密度有关。2023/1/715-用同样的方法可得到:表明:磁感应强度矢量在界面法向上是连续的。表明:磁感应强度矢量在界面法向上是连续的。2023/1/716(2)切向分量在界面上的边值关系)切向分量在界面上的边值关系在两介质界面上取一线元以它为中线垂直于界面作一无限窄小矩形,它的两短边可以看成宏观小量,但其上下两
14、边分别深入到界面两侧介质中。薄矩形层的厚度趋于零,则通过电流的横截面变为横截线。定义电流线密度-其大小等于垂直通过单位横截线的电流由于存在面电流,在界面两侧的磁场强度发生跃变,在狭长形回路,长边与面电流正交,2023/1/717由于回路所围面积趋于零,而为有限量,所以:有:或:表明:磁场强度矢量在界面切向上是不连续的,其跃变与自表明:磁场强度矢量在界面切向上是不连续的,其跃变与自由电流密度有关由电流密度有关。2023/1/718同样:-表明:电场强度矢量在界面切向上是连续的。表明:电场强度矢量在界面切向上是连续的。边值关系(边界条件)边值关系(边界条件)2023/1/719边值关系(边界条件)
15、边值关系(边界条件)边值关系表示界面两侧的场以及界面上电荷、电流的制约关系,它们实质上是边界上的场方程。电磁理论已经证明:在一定的边界条件和初始条件下,麦克斯韦方程组有唯一解。2023/1/7203、波动方程、波动方程下面从麦克斯韦方程出发,推导各向同性的均匀介质各向同性的均匀介质中,远离远离辐射源、不存在自由电荷和传导电流辐射源、不存在自由电荷和传导电流区域内的光波场矢量满足的波动方程。大多数光波导材料为非磁性电介质,所以:(1)(2)(3)(4)2023/1/721(1)讨论真空情形在真空中,有对它两边取旋度,得到等号左边利用:而:所以得到电场强度满足的波动方程:同理:可得到磁场的偏微分方
16、程:令:2023/1/722得到方程:形如上式的方程为波动方程。讨论:a)当与t无关时,为调和函数,调和函数的最大值在边界上(如果边界上场为0,则内部也为0)b)当与t有关时,虽边界为0,但内部不一定为0.c)波动方程,其解包括各种形式的电磁波,c是电磁波在真空中的传播速度。在真空中,一切电磁波(包括各种频率范围的电磁波,如无线电波、光波、x射线)都以速度c传播。2023/1/723(2)讨论介质情形研究介质中的电磁波传播问题时,必须给出关系,当以一定角频率作正弦振荡的电磁波入射于介质内时,介质内的束缚电荷受到电场作用,也以相同角频率正弦振动。在这频率下,介质的极化率,介电常数都是频率的函数,
17、即:不同频率的电磁波,介质的介电常数是不同的。把介电常数和磁导率随频率而改变的现象称为介质的色散。由于色散,对一般非正弦变化的电场关系式:不成立2023/1/7244、一定频率的光波在介质中的传播、一定频率的光波在介质中的传播Helmholtz方程方程 设均匀平面简谐光波:代入麦克斯韦方程组:(1)(2)(3)(4)四个方程只有(1)(2)式独立。取(1)式散度可得到(3)式,利用任意矢量的旋度的散度恒等于0.2023/1/725取(1)式旋度:等号左边利用矢量恒等式,可得到:令:上式变为:-称为Helmholtz方程它是一定频率下电磁波的基本方程,E(r)表示电磁波场强在空表示电磁波场强在空
18、间中的分布情况,间中的分布情况,每一种可能的形式代表一种模式(一种波形)2023/1/726所以对上述方程加上条件上式方程的解并不能保证满足才代表电磁波的解。磁场可由:同理可得到磁场满足的Helmholtz方程2023/1/7275、均匀平面光波、均匀平面光波 设单色平面光波:为复振幅常矢量。平面波的波阵面为无穷大平面,在同一波阵面上电场强度和磁在同一波阵面上电场强度和磁场强度的大小为常数,且两者同相场强度的大小为常数,且两者同相。将上面两式代入麦克斯韦方程:并利用:等号右边第二项为零,因为为常矢量。2023/1/728可得到:即:同理:表明:在各向同性的均匀介质中,平面波为横电磁波。光场的表
19、明:在各向同性的均匀介质中,平面波为横电磁波。光场的方向结构图如图所示方向结构图如图所示1.2-1(a)2023/1/729平面电磁波的特性:(1)电磁波是横波,E和B都和传播方向垂直;(2)E和B互相垂直,沿波矢 方向;(3)E和B同相,振幅比为平面波的相速度(等相位面传播的速度):坡印廷矢量(能流密度):n为介质的折射率说明:相速度并不表示光波能量传播的速度,因此对于色散介质的nn2的情况的情况反射率反射率R的定义的定义n1 C 横电场横电场 横磁场横磁场2023/1/787消逝波消逝波(Evanescent wave)Y0i1Y1i2 i1Y2Y1 Ex(y)是沿是沿z方向的波矢方向的波
20、矢 是电场进入介质是电场进入介质2的衰减系数的衰减系数 在介质边界的消逝波在介质边界的消逝波 2023/1/788古斯汉欣位移(古斯汉欣位移(Goos-Hanchen)全反射时古斯汉欣位移全反射时古斯汉欣位移当当 i C时时,发发生生全全反反射射,同同时时发发生生相相位位的的变变化化,相相位位的的变变化化表表示示在在介介质质的的表表面面发发生生了了反反射射光光沿沿z方方向向移移动一个距离动一个距离 穿透深度!穿透深度!1/2023/1/789光学隧道效应光学隧道效应(Optical Tunneling)当当 ln2,n1n3。且一般情况下有。且一般情况下有 n1n2 n32023/1/794薄
21、膜波导:薄膜波导:-结构:芯层可以做成各种形式;-工艺:薄膜成型法(离子扩散、晶体生长)-衬底材料:玻璃、电光晶体、半导体材料-应用:集成光路、光波导器件圆柱波导圆柱波导-光纤光纤-结构:芯层、包层、缓冲层(有弹性、耐腐蚀的塑 料护套)-材料和工艺:玻璃、拉丝-应用:光通信-分类:根据纤芯折射率分为阶跃折射率和梯度折射率光纤;据传输信号分为单模和多模光纤2023/1/795n对称波导对称波导:n2=n3;非对称波导非对称波导:n2 n3,分类:(1)按照覆盖层和衬底的折射率是否相同,分为(2)按照芯层折射率分布的不同,可将平板波导分为:n阶跃波导(折射率分区均匀分布)阶跃波导(折射率分区均匀分
22、布)渐变波导(折射率渐变波导(折射率n1 是横向坐标是横向坐标x的函数)的函数)本章主要讨论阶跃波导阶跃波导的传输特性2023/1/7962.1 理想平板波导的射线光学理论理想平板波导的射线光学理论 理想平板波导:指波导的各层介质为各向同性、均匀、无损耗,且不同介质的界面为无限大平面,且严格平行。1、均匀平面光波在平板波导中的传输均匀平面波:均匀平面光波在波导中传输光波在波导中传输,遇到两种介质的界面时,将产生反射和折射,因此光在芯层内呈光在芯层内呈“锯齿型锯齿型”轨迹轨迹向z方向传播,如图所示。根据入射角与上、下界面的全反射临界角之间的关系,可分三种情况讨论:2023/1/797(a)(b)
23、(c)光线在上、下界面的入射角不同,对应波导中不同的传输模式:(a)当 平面波在上、下两界面都发生全反射,此时光波被限制在波导芯层内,好像被引导者沿z方向传播,故通常称这种传输的光为“导模导模”、“传导模传导模”或或“导波导波”。平板波导中的电场可以表示为:2023/1/798其中下标l=1,2,3 分别代表芯层、衬底和覆盖层,分别代表各层的横向传播常数和纵向传播常数,根据光电磁波在界面处的连续性要求,其纵向传播常数在三层介质中相同,可表示为:是平面波在真空中的波数。因为:所以:即:导模的纵向传播常数纵向传播常数比衬底、覆盖层里的传播常数大,相应的传播速度就慢,是慢波。2023/1/799在三
24、层介质中的横向传播常数横向传播常数满足如下关系:其中:为实数为实数,表示光波场在芯层内沿横向沿横向为驻波分布;为虚数为虚数,表示光波场在衬底和覆盖层内沿横向向外指数衰减。表明:导模的光能量被限制在芯层及其界面附近,并沿表明:导模的光能量被限制在芯层及其界面附近,并沿z轴方向传轴方向传播,因而导模也是表面波。播,因而导模也是表面波。是否满足全反射条件即可产生一个导模呢?是否满足全反射条件即可产生一个导模呢?2023/1/7100(b)当光线在上界面发生全反射,而在下界面只有部分反射,如图所示,这时光在波导中将有一部分能量辐射到衬底中去,因此称之为衬衬底辐射模底辐射模。这时,传播常数满足:-是实数
25、-是虚数说明:光波场在覆盖层内向外指数衰减,而在衬底内沿说明:光波场在覆盖层内向外指数衰减,而在衬底内沿x轴方轴方向传播。向传播。2023/1/7101当如图所示,光线在上、下界面处均不发生全反射,只有部分反射。这时必然有部分能量同时辐射到覆盖层和衬底中去,通常称之为波导辐射模波导辐射模。此时传播常数满足:-是实数-是实数说明:光场在覆盖层和衬底内均沿说明:光场在覆盖层和衬底内均沿x方向有传输。方向有传输。2023/1/71022、导模的传输和截止(1)导模的传输条件组成导模的光线除满足入射角条件(全反射)入射角条件(全反射)外,还必须满足一定的相位条件相位条件。导模在平板波导中的传输,可看做
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